航空航天用鈦合金3D打印技術(shù)的研究概述

鈦及鈦合金具有比強度高、高溫力學性能和抗蠕變性能好、耐腐蝕性能好等優(yōu)良的綜合性能，被認為是繼鋁材、鋼鐵之后處于發(fā)展中的“戰(zhàn)略金屬”和“第三金屬”[1-3]，在航空、航天、兵器、化工、船舶等行業(yè)受到廣泛重視[4-5]。

鈦合金由于具有優(yōu)異的物理及化學性能，被認為是最適合制備成粉末的金屬材料，因此基于模型切片分層制造原理的激光三維打印（Three Dimensional Printing，簡稱3D打印）技術(shù)成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術(shù)。3D打印是基于離散-堆積原理，利用CAD軟件生成的三維實體模型，通過STL格式的分層軟件驅(qū)動模塊，根據(jù)每個層的二維數(shù)據(jù)控制激光、等離子、電子束和電弧等作用于粉末、液體或絲材，加工出所需要形狀和尺寸的薄層，并逐層累積成實體模型的制造技術(shù)。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)“減材制造”依賴多工序結(jié)合制造的方式，可快速精密地制造任意復雜形狀的零件，實現(xiàn)真正“自由制造”。近年來，世界各國對鈦合金3D打印技術(shù)進行了大量研究，本文將對這些研究做一總結(jié)。

1、3D打印成形鈦合金構(gòu)件缺陷分析　

3D打印技術(shù)制備鈦合金時，如果工藝參數(shù)選擇不當，工件容易出現(xiàn)氣孔、球化、熔合不良以及裂紋等缺陷。

1.1 氣孔缺陷

氣孔缺陷的形態(tài)主要有球形[6]、橢球形、類球形、長條形和針孔形，如圖1所示。氣孔缺陷對構(gòu)件成形的致密度和力學性能等存在直接影響，大大降低實體構(gòu)件的實用性能。

薛蕾[7]認為氣孔缺陷形成的原因是由水分引起的。如果粉末中含有水分，當水分受到激光加熱就會形成大量的氣體，離熔池表面比較近的部分會逸出來，但由于激光熔凝過程非常快，另外一部分氣體來不及逸出便被“包裹”在金屬中；另外由于粉末放置時也會吸附一些氣體，在激光熔凝過程中同樣會產(chǎn)生上述情況，形成氣孔。文藝[6]觀察了激光束成形和電子束成形TC18鈦合金氣孔附近和遠離氣孔的組織，發(fā)現(xiàn)氣孔類缺陷對周圍組織形態(tài)無明顯影響，無論是氣孔附近組織還是遠離氣孔的組織均為網(wǎng)籃組織。張鳳英[8]分析了松裝密度對3D打印鈦合金的氣孔密度的影響，如圖2所示，結(jié)果表明：隨著粉末松裝密度的增大，成形件內(nèi)部氣孔率逐漸降低，因此，可以通過控制制粉工藝提高粉末松裝密度，來減少或消除氣孔。

1.2 球化缺陷

球化是3D打印構(gòu)件中存在的一種內(nèi)在缺陷，該缺陷主要的危害有兩個方面：一方面導致金屬件組織內(nèi)部存在孔隙，大大降低成形件的力學性能并增加了表面粗糙度；另一方面，凝固后的金屬球影響下一層的鋪粉情況，且鋪粉輥又會與前一層所產(chǎn)生的金屬球相互摩擦，不但會破壞成形件的表面質(zhì)量，而且當他們之間摩擦非常大時，鋪粉輥將無法前進，終止成形過程。

Sallica等[9]觀察了用激光選區(qū)熔化成形方法制備的成形件TC4合金的微觀組織，發(fā)現(xiàn)熔融金屬的表面能由于過高的激光功率而減小，從而產(chǎn)生了球化現(xiàn)象。陳洪宇[10]研究了影響球化效應的因素，他發(fā)現(xiàn)球化現(xiàn)象與激光能量密度η 有關(guān)，η 的增大會產(chǎn)生球化傾向，不斷前進的液相前沿出現(xiàn)金屬球化物，引起球化效應。

1.3 熔合不良

鈦合金3D打印過程中，如果工藝參數(shù)控制不當，就會使各熔覆層之間未形成致密冶金結(jié)合而產(chǎn)生熔合不良缺陷。薛蕾[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)，3D打印TC4鈦合金出現(xiàn)的熔合不良缺陷（圖3）與熔池“吞噬”粉末的能力有關(guān)。溫度較低的固態(tài)粉末顆粒進入熔池后對熔池具有冷卻作用，減小了熔化深度，結(jié)果造成層間熔合不良或修復區(qū)與基體熔合不良。影響層間熔合不良的最大因素是搭接率[11]，搭接率太小，由于道與道的重疊區(qū)域能量密度低，搭接區(qū)熔合不良而出現(xiàn)凹陷，使得表面精度較差。調(diào)整修復工藝，例如提高激光功率，降低光束移動速度，層間熔合不良缺陷消失。

1.4 裂紋缺陷

由于3D打印技術(shù)是快速熔化快速凝固的過程，因此成形材料與基體之間必然會由于熱膨脹系數(shù)、溫度等的不同而產(chǎn)生很大的殘余應力，殘余應力的存在導致裂紋的產(chǎn)生與擴散，如圖4所示[12]。周旭[13]研究了近α鈦合金激光選區(qū)熔化成形開裂機理，發(fā)現(xiàn)由于空氣附著在鈦合金表面上，高溫下與鈦合金反應生成Ti3O、TiO[8]，這些化合物積聚在一起，形成裂紋源。他同時提出，在鈦合金激光選區(qū)熔化成形過程中先進行預熱，降低溫度梯度，同時在成形后保溫及緩冷，可釋放試樣中的殘余應力，從而有效抑制裂紋的產(chǎn)生。

2、熱處理工藝對3D打印鈦合金組織和性能的影響

由于3D打印成形得到的是快速熔化-凝固組織，而這一過程會在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應力，因此必須通過熱處理來消除殘余應力，并且熱處理還可以進一步細化組織，從而改善構(gòu)件的力學性能、消除成分偏析[14]。由于3D打印獲得的鈦合金組織與傳統(tǒng)鍛造、鑄造組織存在較大差異，經(jīng)過傳統(tǒng)的熱處理工藝并不能使3D打印的鈦合金獲得令人滿意的力學性能。因此，優(yōu)化3D打印鈦合金熱處理工藝獲得的更好力學性能尤為重要。

熱處理工藝參數(shù)對3D打印鈦合金的組織、性能存在較大影響。以最常見的α+β型TC4合金為例，3D打印TC4鈦合金后，其顯微組織主要由β相組成，該組織從高溫區(qū)冷卻后，保持原始晶界，晶內(nèi)主要由針狀或片狀的魏氏組織和網(wǎng)籃組織組成，對其進行熱處理后，將得到不同的組織結(jié)構(gòu)。孫小燕[15]研究了不同固溶與時效熱處理方式對3D打印制備的TC4合金組織及性能的影響。從圖5中三種不同熱處理狀態(tài)下的TC4合金金相組織可以看出，三種組織存在很大差異，分別為α固溶體和β固溶體的混合組織、網(wǎng)籃組織和雙態(tài)組織。其中，網(wǎng)籃組織的高溫蠕變性能以及強度、塑性均較好，而雙態(tài)組織的塑性低、強度較高。Chandramohan[16]發(fā)現(xiàn)循環(huán)熱處理工藝可以改變3D打印TC4鈦合金的尺寸、取向和相的數(shù)量，且晶粒取向在<1010>和<0001>之間可以獲得較好的伸長率和強度。由于3D打印的成形特性，其構(gòu)件內(nèi)部會產(chǎn)生較大的殘余應力。為了消除殘余應力，馬瑞鑫[17]對3D打印TC4鈦合金做了正火處理，并分析了不同正火溫度對性能的影響，如表1所示。從表中可以看出，試樣的拉伸性能隨著正火溫度的升高逐漸增強；當正火條件為990℃/2 h空冷時，其室溫拉伸性能最優(yōu)，其中拉伸強度、屈服強度及伸長率超過了鍛件的國標要求。

近β型鈦合金與α+β型鈦合金不同，由于在高溫時具有很好的穩(wěn)定性，使得該型鈦合金即使在β相區(qū)加熱較長的時間，也不會出現(xiàn)明顯的晶粒長大。Zhu[18]比較了TC17合金在α+β兩相區(qū)和β相區(qū)退火的組織和性能，以及不同保溫時間對組織和性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)將3D打印的TC17合金在840 ℃下退火，會使α相的晶界變得粗大，并且生成了次生α相，如果將溫度升高到900 ℃，所有的α相均轉(zhuǎn)化為β相，且合金成分分布均勻。另外，Liu[19]的研究顯示，用傳統(tǒng)鍛態(tài)材料常用的標準三級熱處理方式（圖6）并不能使3D打印制備的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe獲得令人滿意的強度和延展性，這是因為β晶界處仍然存在連續(xù)的α相。而經(jīng)過近β轉(zhuǎn)變溫度下三級熱處理（圖6）的試樣，其斷裂方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔眩瑥姸群脱诱剐缘玫搅撕艽蟮奶岣摺?/p>

Li[20]的研究表明，時效溫度和時效時間對3D打印的TA15合金的硬度有很大影響，如圖7所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，在650～700℃之間進行等溫時效，且時效時間為120 min，可以提高零件的強度。

3、鈦合金3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的研究進展

3.1 國外研究進展

2001年，AeroMet公司[21]采用 3D 打印技術(shù)為Boeing 公司艦載機試制了鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，如圖8所示。該鑄件尺寸為900 mm×300 mm×150 mm，是航空翼根吊環(huán)，已于2002年裝機應用。2002-2005 年之間，AeroMet 公司[22]通過Lasform工藝系統(tǒng)制備了大型整體加強筋板鈦合金發(fā)動機框，其尺寸達2 400 mm×225 mm×100 mm。意大利AVIO公司利用電子束熔煉技術(shù)（EBM）制備出了鈦鋁合金發(fā)動機葉片，比傳統(tǒng)的鎳基合金輕50%。Sciaky公司聯(lián)合 Boeing和LockheedMartin公司開展了 EBF 研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造，制備的鈦合金零件尺寸達5 800 mm×1 200 mm×1 200 mm[23]。目前，Sciaky公司成形鈦合金件的最大速度可達18 kg/h，力學性能滿足AMS4999標準要求。圖 9所示為Sciaky公司的大型航空鈦合金零件。2017年3月，空客公司在其客機上安裝了首個由3D 打印制造的主飛行控制液壓元件（圖10），并于3月30日順利完成首次飛行測試。

3.2 國內(nèi)研究進展

2007年，北京航空航天大學突破了飛機鈦合金大型、主承力結(jié)構(gòu)件激光3D打印關(guān)鍵技術(shù)，研制出世界最大飛機鈦合金大型結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化成套裝備，成形室尺寸為4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm。

通過長期深入研究，北京航空航天大學研制了 TA15、TC4、TC11等大型、復雜、整體、主承力飛機鈦合金加強框及A-100超高強度鋼飛機起落架等關(guān)鍵構(gòu)件，并實現(xiàn)了包括C919大型客機在內(nèi)的多種型號飛機上的裝機應用，使我國成為世界上唯一突破飛機鈦合金大型整體主承力構(gòu)件激光3D打印技術(shù)并實現(xiàn)裝機應用的國家[24]。圖11所示為北京航空航天大學研制的某型號飛機“眼鏡式”鈦合金大型、復雜、整體、主承力構(gòu)件加強框。2012年，西北工業(yè)大學與中國商飛公司聯(lián)合利用3D打印機制造了大飛機C919的中央翼緣條，尺寸為3 000 mm×350 mm×450 mm，質(zhì)量196 kg，并通過了中國商飛公司的性能測試[25]。西北工業(yè)大學還用3D 打印技術(shù)制備了軸承座后機匣、超音速飛行器方向舵、復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件等構(gòu)件，圖12為航空發(fā)動機軸承后機匣。2016年，航天科工三院306所技術(shù)人員成功突破 TA15和 Ti2AlNb異種鈦合金材料梯度過渡復合技術(shù)，其采用激光3D打印試制出具有大溫度梯度一體化鈦合金結(jié)構(gòu)進氣道試驗件，并順利通過了力熱聯(lián)合試驗。2018年，昆明理工大學利用激光選區(qū)熔融技術(shù)成功打印出了尺寸為250 mm×250 mm×257 mm的超大型復雜鈦合金零件，這是迄今為止使用激光選區(qū)熔融方法成形的最大單體鈦合金復雜零件。

4、展望

鈦合金3D打印技術(shù)改變了人們對傳統(tǒng)鈦合金加工方式的認識，但是作為一項新型的制造技術(shù)仍然存在很多問題，例如：3D打印技術(shù)對于大尺寸零件的制造效率依然偏低；在成形過程中存在氣孔、球化、熔合不良以及裂紋等缺陷；在快速加熱和快速冷卻過程中，零件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應力。因此，鈦合金3D打印技術(shù)的發(fā)展需要科研院校和機構(gòu)的共同努力，減少內(nèi)部缺陷，使得鈦合金3D打印技術(shù)向著成本低、 穩(wěn)定性好及產(chǎn)業(yè)化和多領(lǐng)域的方向發(fā)展。

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